甲烷浓度、池液pH值与沼气检漏报警一体化测试仪

摘要：本文从应用出发，提出一种采用红外甲烷测量与电极PH测量结合的一体化测定仪方案，讨论并设计出一体化测定仪的总体结构，研究了红外甲烷测量浓度测量原理及采用相关传感器的性能。重点研究pH值测量原理，设计出pH值传感器测量电路，提出一种单电源偏置放大测量pH的方法，采用带有AD转换功能的单片机进行数据处理，给出主程序原理框图。

关键词：甲烷浓度 pH值 沼气制取

0 引言

利用秸秆制取沼气，其附产物还可作为有机肥料，因此，这是一个解决秸秆焚烧，提高综合应用的有效方案之一，而在沼气生产中甲烷浓度和池液的pH值是最重要的参数，通过对这些参数的检测，可确定更换生产原料、调整池液的pH值的时间，从而达到最大产能。目前甲烷检测方法主要有热催化法、热导检测法、光学甲烷检测法、气敏半导体检测法、基于相干光干涉法、光声气体检测法和基于红外吸收的甲烷气体检测法等。其中，热催化法、热导检测法分别在低浓度和中高浓度的区阶有较高的灵敏度，全量程甲烷浓度测量时，可以将热传导式甲烷传感器与催化燃烧式传感器配合使用以提高测量精度，尽管这样，其测量精度也不高，性能稳定性也差，而且使用前需要标定，且易产生漂移。基于红外吸收的甲烷气体检测方案，可得到较高的测量精度；pH值的测量一般采用pH电极作为测量传感器，由于电极产生的电荷量较小，引起的电位差也较小，因此，设计的测量电路的不同，其测量精度也不同。本文研究一种采用红外甲烷测量与电极pH测量结合的一体化测定仪。

1 一体化测量仪的总体方案

本方案将甲烷浓度检测与报警、pH值测量三种功能集成于一体，形成沼气组合测试仪。总体方案如框图1所示。该测定仪由显示器、键盘、通信接口、CPU、电源、甲烷浓度测量模块和池液pH值传感测量模块等组成。其中，甲烷浓度检测与报警测量模块采用郑州炜盛MH-741A传感器完成，由基于红外吸收的甲烷气体检测传感器、数据调理与转换、通信等部分组成。传感器采集甲烷浓度数据后，将其转换成数字量或模拟量，通过接口传送给主控CPU。由主控CPU设置其作为浓度检测或检漏报警测量传感器，进行浓度检测时，以百分含量形式显示出来；报警测量时，以%LEL浓度显示，当浓度达到设定值时，发出声光报警；池液pH值测量模块由池液pH值测量电路和pH值测量电极组成。pH值测量电极采集pH值信号经偏置放大转换后送中央处理器进行处理、存储与显示。测量过程中，同时采集测量环境下的温度信号，用以对所测数据进行修正。pH值测量前，需使用标准液进行标定，本设计中采用1点校正的方式编程。

2 甲烷浓度检测仪原理分析

甲烷浓度检测仪器按其工作原理不同，有下列几种：

2.1 光干涉式

光干涉式是利用光波对空气和甲烷折射率不同所产生的光程差，引起干涉条纹移动来实现对不同甲烷浓度的测定。

2.2 热催化式

热催化式是利用甲烷在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来测定甲烷浓度。

2.3 热导式

热导式是利用甲烷与空气热导率之差来实现甲烷浓度的测定。

2.4 红外线式

红外线式是利用甲烷分子能吸收特定波长的红外线来测定甲烷浓度。

2.5 气敏半导体式

气敏半导体的种类较多，如氧化锡、氧化锌等烧结型金属氧化物。这一原理是利用气敏半导体被加热到200℃时，其表面能够吸附甲烷而改变其电阻值来检测甲烷浓度。

2.6 声速差式

2.7 离子化式

气体在放射性元素的辐射作用下发生电离，在气体介质中的两个电极之间便有电流产生。测量空气介质和被测甲烷中的电流大小，便可测出甲烷浓度。

3 甲烷红外测量原理与传感器设计

每种气体分子都有自己的吸收（或辐射）谱特征，即当光源的发射谱与气体吸收谱重叠时，气体分子或原子便吸收光能量，供其在能级之间的跃迁，进而使吸收后的光强发生变化，因此，建立光强与对应气体浓度关系数学模型后，通过检测气体透射光强或反射光强的变化便可计算出该种气体的浓度。如甲烷气体在光谱中的吸收峰波长约为1.66um，当其受到红外光束照射时，甲烷气体分子吸收一部分光能量并将其转换为分子的振动和转动能量，使分子振动能级和转动能级从基态到激发态的跃迁，且吸收的强弱与甲烷气体浓度正相关，可建立测量的数学模型，通过测量甲烷气体的红外光信号衰减程度，求得甲烷气体的浓度。

本文采用MH-741A传感器进行甲烷气体浓度的测量，它是一种应用上述原理，将红外吸收气体检测技术与微型机械加工、精良电路设计紧密结合，制作出的小巧、性能卓越的红外气体传感器，可广泛应用于火灾探测，爆炸性气体检测等。其工作电压为4.5V～5.5V DC，环境压力为86kPa～106 kPa，测量后的浓度信号转换成数字信号或模拟信号共用户使用。

4 pH值的测量原理与电路分析

4.1 pH值的测量原理

pH值是用来表征溶液酸碱度的度量单位，当溶液中化合物发生离解时，可分解成两种或更多的带电粒子（离子），即当分子获得电子时带负电荷，亦称负离子，失去电子时带正电荷，亦称正离子。溶液中的正、负离子相对数目决定了溶液的酸碱性。如果正离子多于负离子，溶液就是酸性溶液。反之，如果负离子多于正离子，溶液就为碱性溶液。一般情况下，如纯水等稳定的化合物中正、负离子数目相等，即电中性。

pH值可通过测量被测溶液中的氢离子浓度来表征。早期多通过pH试纸进行检测，将试纸浸入待测溶液样本，试纸的颜色随pH值不同而发生变化。将其与标准颜色进行比较即可测出被测溶液的pH值。该方法不能测量有色溶液，也无法进行自动测量。 使用pH电极作为传感器可以对pH值进行在线连续自动测量，该传感器一般有两个电极，其中一个电极为工作极，用来产生与氢离子浓度成比例的电压。另一个电极为参比电极，用来提供与测量电极相比较的电势。电极封装在只对氢离子敏感的特殊玻璃薄壁管内。有些pH值电极中集成有电阻型温度传感器。用于测量溶液温度，以便修正由于温度变化而引起的pH值的测量误差。

4.2 pH值的测量电路分析

5 单片机的选用与AD转换的实现

6 系统软件的设计

本设计中甲烷浓度由传感器直接测量，并通过I2C总线传给单片机进行存储与显示。pH值通过采集电极信号和温度信号经AD转换处理后进行处理、存储与显示，主程序为初始化、功能设置、显示及传送等，甲烷浓度读取和pH值测量等通过子程序实现。主程序流程框图如图3所示。

7 结论

本文在研究多种传感器及其信息采集方法的基础上，设计了池液pH值、甲烷浓度及泄漏报警等多参数测量系统，并采用软件算法实现对传感器测量值的非线性修正。设备具有体积小、重量轻、系统性能稳定等特点，可以在甲烷生产与使用设备的作业过程中，进行对甲烷浓度的在线测量，对pH值进行间歇测量，也可由通信接口接入控制器局域网进行数据采集，实现智能化管理与控制，提高使用方便性。